Mit integrierten Hydraulikkupplungen Zeit und Bauteile sparen

Integrierte Medienkupplungen können zu mehr Effizienz und Wirtschaftlichkeit beitragen. So übertragen sie, anders als einfache Schlauch- und Schnellkupplungen, Fluide und Vakuum nahezu verlustfrei. Außerdem können moderne Medienkupplungen in Bearbeitungszentren zusätzliche Funktionen übernehmen: Beim Rüsten in der Be- und Entladestation arretieren sie beispielsweise die Kupplungshälften und erlauben Drehbewegungen in die gewünschte Arbeitsposition.

Beide Kupplungsflächen der AKM sind stirnseitig eben, sodass der Anwender sie aus beliebigen Positionen ansteuern kann. Bild: Hydrokomp

Dies zeigt sich zum Beispiel in der spanenden Bearbeitung. Eine Methode, um dort die Produktivität zu erhöhen, besteht darin, die Nebenzeiten zu reduzieren, insbesondere die Rüstzeiten. Diese lassen sich verringern, indem der Maschinenbediener die Werkstücke parallel zur Hauptzeit auf einem separaten Werkstückträger schon vorbereitet und sie jeweils zum Bearbeiten einwechselt. Dann fallen nur noch die Zeiten für diesen Wechsel an.

Nun ist zu unterscheiden, ob die Palette mit hydraulischen oder mit mechanischen Spannvorrichtungen ausgestattet ist. In mechanischen Spannvorrichtungen sind die Kräfte, mit denen Werkstücke gespannt werden, nur mit spezieller Technik exakt dosierbar. Die Handhabung ist aufwendig und bedingt lange Nebenzeiten. Vor allem in der industriellen Serienfertigung verlängert dies die Taktzeiten und stellt ein Hemmnis für die Automatisierung dar.

Hier bieten hydraulische Spannvorrichtungen Vorteile, allerdings muss das Hydrauliköl der Vorrichtung während des Wechsels unter Druck bleiben, und der Arbeitsraum der Maschine ist mit dem Drucksystem der Vorrichtung zu verbinden. Wird die Maschine über übliche Hydraulikleitungen und -schläuche mit mechanischen Kupplungen versorgt, so verlängert dies die Wechselzeiten.

Außerdem verunreinigen die unvermeidbaren Ölverluste Maschine und Umwelt. Integrierte Medienkupplungen vermeiden diese negativen Effekte. Ein Hersteller in diesem Bereich ist Hydrokomp: Das Unternehmen bietet standardisierte und individuelle Komponenten zum manuellen oder automatisierten Kuppeln; unter Druck oder drucklos.

Wahl der Kupplungsanschlüsse

Bei der Auswahl der Medienkupplung gibt die Anwendung die Höhe der erforderlichen Spannkräfte vor. Die Betriebsdrücke des Hydrauliköls und die Nennweite als Maß für die Größe der Kupplungselemente entnimmt der Konstrukteur den Tabellen des Kupplungsherstellers. Ein zweites, wesentliches Kriterium ist die Zahl der Anschlüsse, die von der Art der Spannfunktionen an den Werkstücken und der Ventiltechnik abhängt.

Funktionsschema der Automatischen Kupplungsmechanik (AKM): Links vor dem Herstellen der Verbindung;
rechts Zustand nach dem Konnektieren der Kupplungs-
mechanik. Bild: Hydrokomp

Üblich ist, die jeweils drei translatorischen und rotatorischen Freiheitsgrade eines Werkstückes mit insgesamt sechs Fixpunkten abzufangen. Die gewünschten Spannfolgen und -kräfte am Werkstück beeinflussen die Auswahl der Ventile und Drücke. So kann es technisch sinnvoll sein, für das Vorspannen des Werkstückes einen niedrigeren Druck vorzugeben, und dann nach dem endgültigen Positionieren zum Fixieren des Werkstückes auf einen höheren Wert zu gehen.

Die Zahl der Kupplungsanschlüsse hängt dann von der Ventiltechnik ab: Sind die Ventile auf dem Werkstückträger angeordnet, können zwei Anschlüsse genügen. Sind sie fest zwischen Medienkupplung und Druckübersetzer installiert, sind je Ventilkreislauf zwei Anschlüsse erforderlich. Da sie sich aber stationär außerhalb des Arbeitsprozesses befinden, ergibt dies bessere konstruktive Gestaltungs- und Zugriffsmöglichkeiten. Es entlastet den Werkstückträger von Gewicht und reduziert die Störkonturen.

Hinzu können weitere Anschlüsse kommen für Werkstücke mit anderen Spannkräften oder für andere Medien. Die erforderlichen Kupplungselemente integriert der Konstrukteur dann in das Kupplungssystem. Hydrokomp hat zum Beispiel Systeme mit mehr als zehn Anschlüssen realisiert. Das Unternehmen baut Mehrfach-Kupplungssysteme eigener Entwicklung oder nach Kundenzeichnung, vorwiegend für die Werkzeugmaschinenindustrie.

Zusatzfunktionen ersetzen Komponenten

Kupplungsplatte mit Einschraubkupplungselementen NW 3 mit einem Nullpunkt-Spannsystem. Bild: Hydrokomp

Beim Rüsten in der Be- und Entladestation müssen die Palette oder der Werkstückträger fixiert sein. Dafür sind normalerweise Spannelemente erforderlich. Diese Aufgabe kann alternativ eine Verriegelung in der Medienkupplung übernehmen. Die Spannelemente entfallen dann.

Gerade in der Fertigung von Serienteilen auf Bearbeitungszentren ist es aus wirtschaftlichen Gründen üblich, möglichst viele Werkstücke auf einem Träger zu spannen. Dazu erhält die Vorrichtung bei horizontaler Werkzeugspindel mehrere senkrechte Bearbeitungsebenen.

Zum einfacheren Rüsten lässt sich der Werkstückträger in der Be- und Entladestation dann in die gewünschte Position drehen. Diese Bewegung inklusive Positionieren kann eine Drehdurchführung der Medienkupplung zusätzlich übernehmen.

Kupplungssystem für Werkzeuge

Das mit Dichtungsringen bestückte Montagewerkzeug soll das Austauschen der Dichtungsringe vereinfachen und beschleunigen. Bild: Hydrokomp

Prinzipiell entsprechen Medienkupplungen für Werkzeuge denen für die Werkstückträger. Sie übertragen meist Kühlschmierstoff oder Öl für Steuerungszwecke. Die innenliegenden Kanäle von

Fräsköpfen und Werkzeugträgern wie Revolveraufnahmen fördern zum Beispiel Kühlschmierstoff an die Werkzeugschneide. Für diese Kupplungsaufgaben eignen sich zum Beispiel Automatische-Kupplungsmechanik-Systeme (AKM-Systeme) von Hydrokomp: Die Kupplungselemente für flüssige und gasförmige Medien bestehen aus nichtrostenden Materialien. Sie lassen sich zum Beispiel für Mehrfach-Kupplungssysteme in die individuellen Aufnahmen einbauen. Je nach Dichtungsmaterial sind sie zum drucklosen Kuppeln oder zum Kuppeln unter Druck geeignet.

Das drucklose Kuppeln unterstützt entsprechende Rückschlagventile. Beim Kuppeln unter Druck ist diese Funktion in die Kupplung integriert. Die Leckraten der Kupplungselemente sind weitgehend konstruktiv beeinflussbar. Sie hängen primär von den Hohlräumen ab, die während des Abkuppelns Öl enthalten. Versuche des Herstellers beim Kuppeln unter Druck mit 100 bar und harten Dichtungsmaterialien haben bei Kuppelvorgängen eine Rate von 13 Kubikzentimeter Hydrauliköl ergeben, das heißt durchschnittlich pro Hub 0,013 Kubikzentimeter.

Wartung vereinfachen

Anwendungsbeispiel Werkzeugwechsler: Revolveraufnahme für neun Werkzeuge mit jeweils 4 AKM. Bild: Hydrokomp

Die Systemdichtungen am Kolben der Kupplungsmechanik verschleißen auf Dauer durch Verunreinigungen und Späne. Zum Wechseln der Dichtungen in Kupplungselementen baut das Servicepersonal die Kupplungsmechanik in der Regel aus, tauscht die Dichtung und baut die Kupplungsmechanik wieder ein. Das kann durchaus einen halben Arbeitstag dauern.

Für seine Kupplungsmechaniken hat Hydrokomp deshalb ein Wechselsystem konstruiert und realisiert, das den Austausch der Systemdichtung vereinfachen soll. Dazu hat das Unternehmen ein spezielles Montagewerkzeug entwickelt, mit dem der Servicemitarbeiter eine Dichtung mit einigen Handgriffen und in wenigen Minuten austauscht.

Automatische Kupplungsmechanik

Die patentierte AKM des Systems verbindet die Kupplungsteile beziehungsweise Bauteile ohne zusätzlichen Hub. Das hydraulisch betätigte System erübrigt zum Beispiel an Drehtischen von Werkzeugmaschinen die sonst erforderliche Hubeinrichtung. Wechseltische oder Paletten lassen sich allein per radialem Verschieben mit dem Drehtisch kuppeln.

Konventionell sind zum Verbinden und Trennen der Kupplungselemente Abstände zwischen diesen erforderlich, die Elemente müssen sich erst aufeinander zu und dann voneinander weg bewegen. Diese Bewegung benötigt Bauteile und Antriebsenergie. Der AKM genügt ein (vorhandener) Spalt zwischen den Kupplungselementen. Er lässt die gewünschte Drehbewegung im entkuppelten Zustand zu und kann bis zu 1,4 Millimeter betragen.

Beide Kupplungsflächen sind stirnseitig eben, sodass der Anwender sie aus beliebigen axialen und radialen Positionen zum Kuppeln ansteuern kann. Den Hub führt anschließend ein interner Bewegungskolben aus. Es ist möglich, einzelne Anschlüsse gezielt anzusteuern. Der Steuerdruck soll mit dem Druck des Medienanschlusses P korrespondieren. Bei drucklosem Anschluss befindet sich die AKM immer in Grundstellung. Sie kann einfach oder doppelt wirkend arbeiten. Wird sie einfach wirkend betrieben, muss der Anschluss B das Gehäuse belüften. do

Autoren: Gerd Trommer, freier Autor im Auftrag von Hydromp und Karl-Heinz Freund, Hydrokomp